(57)【要約】【課題】  組み立て時のバラツキを抑えることができる燃料電池スタックを提供する。【解決手段】  電解質膜・電極構造体２０を挟持して、各電極に燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給するための流路１５、１６を形成するセパレータ１３、１４とからなるセル３０を積層して形成されるセル積層体４と、セル積層体を積層方向に挟持し、絶縁材からなる一対のエンドプレート１ａ、１ｂと、セル積層体とエンドプレート間に設置される集電板３ａ、３ｂとからなる燃料電池スタックにおいて、前記エンドプレート１ａ、１ｂの少なくとも一方には、前記セル積層体４の外形に沿って積層方向に延出する脚部２ａ、２ｂを設け、この脚部は、前記セル３０を積層する時の位置決めとする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜・電極構造体と、この電解質膜・電極構造体を挟持して、各電極に燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給するための流路を形成するセパレータとからなるセルを積層して形成されるセル積層体と、
セル積層体を積層方向に挟持し、絶縁材からなる一対のエンドプレートと、
セル積層体とエンドプレート間に設置される集電板とからなる燃料電池スタックにおいて、
前記エンドプレートの少なくとも一方には、前記セル積層体の外形に沿って積層方向に延出する脚部を設け、
この脚部は、前記セルを積層する時の位置決めとすることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
前記脚部は、前記セル積層体の外形の一部に沿って延出することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記脚部は、前記セル積層体の外形全体を覆うように延出することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記脚部は、前記セル積層体の外形全体を覆うように前記一対のエンドプレートからそれぞれ延出し、互いに積層方向に対して直交する方向に所定長さ重なり合うようにして接続されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
前記脚部の重なり合う長さは、６．４ｍｍ以上であることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池スタック。
【請求項６】
前記脚部は、前記エンドプレートと別部材で形成され、一体的に固定されることを特徴とする請求項２から４のいずれか一つに記載の燃料電池スタック。
【請求項７】
前記セル積層体を積層方向に押圧する荷重の反力を保持するテンションプレートを備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタック、特に燃料電池スタックの組み立てに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
通常の固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）の両側にそれぞれアノードおよびカソードを高分子イオン交換膜を挟持するように構成された電解質膜・電極構造体（以下、ＭＥＡという）を、さらにセパレータによって挟持することにより構成している。アノードに供給された燃料ガス（水素含有ガス）は、触媒電極上で水素イオン化され、適度に加湿された電解質膜を介してカソードへと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。カソードには、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスあるいは空気が供給されているために、このカソードにおいて、前記水素イオン、前記電子および酸素ガスが反応して水が生成される。以上の反応を示す化学式は以下のようになる（特許文献１参照）。
【０００３】
陽極反応：    Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-                          （１）
陰極反応：    ２Ｈ+＋２ｅ-＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ          （２）
前記固体高分子型燃料電池の１組を単位セルと呼ぶ。この単位セルを所定数だけ積層することにより、セル積層体を構成している。
【０００４】
単位セルを積層する発明の一例として、特許文献２に示すものがある。この燃料電池スタックの構成は、セル積層体（電池本体１１）を保持するガイドプレートを設けたもので、セル積層体への外部入力や熱膨張に伴うセル積層体の歪みやずれを防止するものである。
【特許文献１】特開平８−１０６９１４号公報
【特許文献２】特開２００２−２９８９００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献２に記載の構成では、セル積層体とガイドプレート間に絶縁材を配置して絶縁を確保している。しかしながら、燃料電池スタック組み立て時に、燃料電池スタックとガイドプレート間に絶縁材を配置しながら組み立てる作業は、単セルの位置決め精度を低下させ、積層後の燃料電池スタック形状の精度低下やセルの面圧の不均一を招くことになる。また、単セルの位置決め精度を向上するために、位置決め治具を設けることが考えられるが、治具の使用は、組み立て作業の時間を延長させることになる。
【０００６】
したがって、本発明の目的は、燃料電池スタックの組み立て性を維持しつつ、単セルの位置決め精度を向上することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、電解質膜・電極構造体と、この電解質膜・電極構造体を挟持して、各電極に燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給するための流路を形成するセパレータとからなるセルを積層して形成されるセル積層体と、セル積層体を積層方向に挟持し、絶縁材からなる一対のエンドプレートと、セル積層体とエンドプレート間に設置される集電板とからなる燃料電池スタックにおいて、前記エンドプレートの少なくとも一方には、前記セル積層体の外形に沿って積層方向に延出する脚部を設け、この脚部は、前記セルを積層する時の位置決めとする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明では、セル積層体の外形に沿って延出する脚部をエンドプレートに設けたので、この脚部がセル積層時の位置決めとして機能する。このため、位置決め治具を用いることなく、位置決め精度を高めることができ、また作業時間が延長されることもない。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１は、本発明に用いる単セルの構成の一例を示す断面図である。単セル３０は、固体高分子電解質膜１０と、電解質膜１０を挟持するアノード１１とカソード１２とからなるＭＥＡ２０と、アノード１１に燃料ガスを、カソード１２に酸素を供給するための流路を形成したアノードセパレータ１３、及びカソードセパレータ１４とから構成され、これらは略四角形に形成される。単セルを積層することで図２の燃料電池スタック１が形成される。
【００１０】
アノード１１に面したアノードセパレータ１３の面１３ｂには、燃料ガスの流路１５が形成される。一方、カソード１２に面したカソードセパレータ１４の面１４ｂには酸化剤、例えば酸素の流路１６が形成される。さらに、アノードセパレータ１３とカソードセパレータ１４の他方の面１３ａ、１４ａには、単セルを冷却するための冷却水流路１７が形成されている。そして、各セパレータ１３、１４には、前述の３つ流路１５、１６、１７に連通し、それぞれ異なるガス等を供給あるいは排出するための出入口流路（不図示）がセルの積層方向に貫通して形成される。
【００１１】
図２は、燃料電池スタック１の構成を示す構成である。燃料電池スタック１は、前述の単セル３０を積層した立方体状のセル積層体４と、セル積層体４を積層方向に保持するエンドプレート１ａ、１ｂと、セル積層体４と各エンドプレート１ａ、１ｂ間に設置される集電板３ａ、３ｂと、セル積層体４をエンドプレート１ａ、１ｂを介して積層方向に押圧する力の反力を受けるテンションプレート５とから構成される。ここで、エンドプレート１ａ、１ｂは絶縁性を有する材料で構成される。
【００１２】
エンドプレート１ａ、１ｂには、隣接する２辺に積層方向に延出する脚部２ａ、２ｂがセル積層体４の外形に沿うように形成される。この脚部２ａ、２ｂは、積層される単セル３０を所定の位置に設置するための位置決めとして機能し、エンドプレート１ａ、１ｂがセル積層体４を保持する時に、形成された４本の脚部でセル積層体４を所定位置で囲うように配置される。各脚部２ａ、２ｂは、絶縁性を有する、エンドプレート１ａ、１ｂと同様の材料からなり、各辺の略中央部に位置する。このため、セル積層体４の角部が外部から目視できるように形成される。これにより、単セル３０の積層状態を積層後でも確認することができる。また、エンドプレート１ａ、１ｂの脚部２ａ、２ｂを設けることにより、セル積層体４への外部入力や熱膨張に伴うセル積層体４の歪みやずれを防止することが可能である。
【００１３】
なお、図のように脚部２ａ、２ｂはエンドプレート１ａ、１ｂと一体に形成されてもよいが、脚部２ａ、２ｂを別部材として、ボルト等によりエンドプレート１ａ、１ｂに固定する構成としてもよい。この場合には、エンドプレート１ａとエンドプレート１ｂおよび脚部２ａと脚部２ｂを共通化し、コスト低減を図ることができる。また、エンドプレート１ａ、１ｂの各脚部２ａ、２ｂは、単セル３０を位置決めできればよく、例えば、一方のエンドプレートの全ての辺、または３辺にのみ設けることとしてもよい。
【００１４】
燃料電池スタック１のセル積層体４には、積層方向に力が加わり、各単セルに所定の面圧が生じるように構成される。ここで、セル積層体４に加わる積層方向の力の反力を受けるテンションプレート５が設置される。テンションプレート５は、絶縁性を有する材料を用いてコの字状に構成され、上下の鍔部５ａ、５ｂで荷重が作用したセル積層体４をエンドプレート１ａ、１ｂを介して挟み込み、荷重の反力を受ける。
【００１５】
次に、燃料電池スタック１の組み立て手順を説明する。
【００１６】
まず一方のエンドプレート１ａをその脚部２ａが上方を向くように設置し、このエンドプレート１ａに集電板３ｂを設置する。集電板３ｂの上に単セル３０を所定枚数、積層していく。このとき、エンドプレート１ａの脚部２ａの内側に単セル３０が接するようにする。このように、単セル３０が脚部２ａに接して配置されることで、単セル３０を所定位置に位置決めでき、単セル３０が積層されたセル積層体４の形状精度を確保することができる。また、エンドプレート１ａと脚部２ａは絶縁性を有しており、絶縁材を設ける必要がなく、セルの積層作業を容易にし、積層形状の精度を向上することができる。
【００１７】
所定数の単セル３０を積層したら、上側の集電板３ａを設置し、その上で他方のエンドプレート１ｂを脚部２ａ、２ｂが下方に向くように配置し、セル積層体４を一対のエンドプレート１ａ、１ｂとその脚部２ａ、２ｂで取り囲む。
【００１８】
次に、図示しないプレス機等によりセル積層体４に積層方向の所定の荷重を加える。そして、セル積層体４に所定の荷重が負荷された状態で、テンションプレート５をセル積層体４に嵌め込む。このようにして燃料電池スタック１を構成する単セル３０に所定の面圧が負荷され、最適な発電状態とすることができる。
【００１９】
図３は、第２の実施形態を示す構成図である。この実施形態では、セル積層体４の外形に沿って全体を囲うようにエンドプレートに脚部を形成したものである。
【００２０】
下側に位置する一方のエンドプレート１ｃの一対の脚部２ｃ、２ｄは、エンドプレートの外縁に沿って、積層方向から見てコ型に形成され、積層方向上側に延出する。一対の脚部２ｃ、２ｄは対面して設置され、コ型の脚部２ｃ、２ｄのそれぞれの鍔部２ｅ、２ｆが、所定間隙Ｓを持って対面している。
【００２１】
上側に位置する他方のエンドプレート１ｄには、前述の間隙Ｓに嵌るような脚部２ｇが下側に向いて形成され、この脚部２ｇが間隙Ｓに嵌り込む。この脚部２ｇが間隙Ｓに嵌り込むことで、セル積層体４は脚部２ｃ、２ｄ、２ｇにより外形全体を覆われ、外部から遮蔽される。また、エンドプレート１ｃ、１ｄと脚部２ｃ、２ｄ、２ｇは絶縁材で形成されるため、隣接するセル積層体４との間の絶縁を確実にすることができる。
【００２２】
図４に示す構成図は、図３に示す脚部に基づく他の構成を示すものである。燃料電池スタック１は、通常、複数個の燃料電池スタック１を接続して用いることが多い。このとき、各燃料電池スタック１間での絶縁が確実に行われていないと、発電効率の低下に繋がる。そこで、図３では積層方向にセル積層体全体に渡って同一平面となるように形成されているそれぞれの脚部を、図４の脚部の構成では、脚部２ｈ、２ｉの両端で所定の長さだけ重なり合うようにして２つの脚部２ｈ、２ｉが一体的に接続する構成とした。
【００２３】
脚部２ｈ、２ｉの接続は、図に示すように一方の脚部２ｉの両端に、他方の脚部２ｈの厚さに対応する段部２ｋを設け、この段部２ｋに他方の脚部２ｈが嵌る構成とする。絶縁性を有する脚部２ｈ、２ｉが段部２ｋで接続されることで、燃料電池スタック１間の絶縁を確実にすることができる。
【００２４】
このときの嵌合長さは、積層方向に対して直交する方向で所定の長さを確保する必要があり、６．４ｍｍ以上確保することが望ましい。６．４ｍｍの嵌合長さを確保することで、電位差が直流で約１５０Ｖまでの絶縁が可能であり、１０ｍｍの嵌合長さとすると、約３００Ｖまでの絶縁が可能である。また、隣接する燃料電池スタックとの関係では、図に示すように、段部２ｋの積層方向の位置を異ならせることで、絶縁性を確保することができる。
【００２５】
このように本発明の燃料電池スタック１は、単セル３０の位置決めのための脚部２ａ、２ｂをエンドプレートと一体的に構成したため、燃料電池スタック１の組み立て時に単セル３０の位置決め治具を設ける必要がなく、位置決め治具への取付けを廃止し、作業時間の短縮化を図ることができる。
【００２６】
また、エンドプレート１ａ、１ｂと脚部２ａ、２ｂとを別部材として構成し、ボルトとにより、一体的に固定することで、部材の共通化をはかり、低コスト化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】燃料電池セルの断面図である。
【図２】エンドプレートの構成図である。
【図３】エンドプレートの他の構成図である。
【図４】脚部の詳細図である。
【符号の説明】
【００２８】
１ａ、１ｂ：エンドプレート
２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ：脚部
２ｅ、２ｆ：鍔部
２ｇ、２ｈ、２ｉ：脚部
２ｋ：段部
３ａ、３ｂ：集電板
４：セル積層体
５：テンションプレート
１３：アノードセパレータ
１４：カソードセパレータ
１５：燃料ガス流路
１６：酸化剤流路
１７：冷却水流路
２０：ＭＥＡ
３０：単セル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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